內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激與常見神經(jīng)系統(tǒng)疾病的研究進(jìn)展

張芷瑕，李云嫻，李 帥，王娟婧，秦 輝,3,4

(南華大學(xué)衡陽醫(yī)學(xué)院： 1基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)院細(xì)胞生物學(xué)與遺傳學(xué)教研室， 2藥學(xué)院實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心， 3細(xì)胞應(yīng)激生物學(xué)衡陽市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 4生態(tài)健康與人類重要疾病防控湖南省高校重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南 衡陽 421001)

神經(jīng)系統(tǒng)是人體中結(jié)構(gòu)與功能最為復(fù)雜，并起主導(dǎo)作用的調(diào)節(jié)系統(tǒng)。當(dāng)神經(jīng)系統(tǒng)發(fā)生病變時(shí)，常常會(huì)出現(xiàn)意識、認(rèn)知、運(yùn)動(dòng)障礙以及顱內(nèi)壓異常等癥狀，嚴(yán)重降低患者生活質(zhì)量。常見的神經(jīng)系統(tǒng)疾病包括腦血管疾病、神經(jīng)退行性疾病、癲癇、中樞神經(jīng)系統(tǒng)感染性疾病等。內(nèi)質(zhì)網(wǎng)(endoplasmic reticulum，ER)是廣泛存在于真核細(xì)胞中的一種重要細(xì)胞器，參與蛋白質(zhì)的合成、加工與轉(zhuǎn)運(yùn)，Ca2+的儲(chǔ)存以及脂質(zhì)和類固醇激素的合成與轉(zhuǎn)運(yùn)等多種生命活動(dòng)。當(dāng)細(xì)胞受到各種理化因素(如未折疊或錯(cuò)誤折疊的蛋白質(zhì)在內(nèi)質(zhì)網(wǎng)腔的累積、Ca2+濃度異常、氧化應(yīng)激、病毒感染等)刺激時(shí)，ER功能的內(nèi)穩(wěn)態(tài)體系被打破，由正常狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)閼?yīng)激狀態(tài)，稱為內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激(endoplasmic reticulum stress，ERS )[1]。ERS主要表現(xiàn)為ER腔內(nèi)錯(cuò)誤折疊與未折疊蛋白大量沉積，Ca2+平衡失調(diào)等?；诖?，細(xì)胞通過激活未折疊蛋白反應(yīng)(unfold protein response，UPR)等信號通路引導(dǎo)和參與ER中異常蛋白質(zhì)的再折疊和降解，防止細(xì)胞功能進(jìn)一步受損；然而，持續(xù)或過強(qiáng)的ERS則會(huì)誘導(dǎo)細(xì)胞凋亡信號通路的啟動(dòng)[2]。研究表明，ERS在神經(jīng)系統(tǒng)疾病中發(fā)揮著重要作用。鑒于此，本文概述了ERS在常見神經(jīng)系統(tǒng)疾病的發(fā)生與發(fā)展中所發(fā)揮的作用，以期為神經(jīng)系統(tǒng)疾病的治療及其藥物研發(fā)提供理論依據(jù)。

1 參與ERS的信號通路

ER通過ERS激活多種信號通路以維持細(xì)胞的穩(wěn)態(tài)和正常生理活動(dòng)。其中，關(guān)于ERS激活UPR的研究最為深入和全面。具體來說，當(dāng)細(xì)胞發(fā)生ERS時(shí)會(huì)觸發(fā)UPR，UPR會(huì)進(jìn)一步啟動(dòng)蛋白激酶R樣內(nèi)質(zhì)網(wǎng)激酶(protein kinase R-like ER kinase，PERK)、肌醇需求酶1 (inositol-requiring enzyme 1，IRE1)、轉(zhuǎn)錄活化因子6(activating transcription factor-6，ATF6)三條通路以促進(jìn)異常蛋白的再折疊或降解，從而緩解ER的壓力，最終恢復(fù)細(xì)胞的穩(wěn)態(tài)[3]。

在生理狀態(tài)下，PERK、IRE1α、ATF6三種ER跨膜蛋白與葡萄糖調(diào)節(jié)蛋白78 (glucose-regulated protein 78，GRP78)結(jié)合形成穩(wěn)定的復(fù)合物；當(dāng)發(fā)生ERS時(shí)，UPR啟動(dòng)，PERK與GRP78發(fā)生分離，通過二聚化及自磷酸化使自身活化。一方面，活化的PERK促進(jìn)真核生物翻譯起始因子2α亞單位(eukaryotic translation initiation factor 2α，eIF2α)發(fā)生磷酸化，降低翻譯速率，從而減少異常蛋白的合成；另一方面，活化的PERK通過轉(zhuǎn)錄活化因子4介導(dǎo)的抗氧化應(yīng)激反應(yīng)等緩解ERS[4]。同時(shí)，IRE1α和ATF6也會(huì)與GRP78發(fā)生分離，參與蛋白質(zhì)表達(dá)的調(diào)控，降低ERS強(qiáng)度[5-6]。

2 ERS與細(xì)胞凋亡

細(xì)胞凋亡是細(xì)胞自主選擇的一個(gè)主動(dòng)性的生理過程，其目的是通過細(xì)胞穩(wěn)態(tài)的維持更好地適應(yīng)其所遭遇的生存環(huán)境。持續(xù)或過強(qiáng)的ERS誘導(dǎo)細(xì)胞凋亡主要涉及C-EBP同源蛋白(C-EBP homologous protein，CHOP)、Jun氨基末端激酶(Jun N-terminal kinase，JNK)和Caspase-12三條信號通路。

CHOP是ER特有的一種應(yīng)激蛋白，其表達(dá)隨ERS的持續(xù)發(fā)生而增強(qiáng)。CHOP通過抑制GRP78和抗凋亡基因Bcl-2的表達(dá)以及促進(jìn)p53上調(diào)凋亡調(diào)控因子(p53 upregulated modulator of apoptosis, PUMA)的表達(dá)，最終導(dǎo)致細(xì)胞凋亡[7]。同時(shí)，CHOP上調(diào)的內(nèi)質(zhì)網(wǎng)氧化酶基因不僅通過誘導(dǎo)ER發(fā)生氧化應(yīng)激而引起細(xì)胞凋亡，還會(huì)使Ca2+從ER中釋放并在線粒體內(nèi)大量聚集，繼而激活線粒體凋亡途徑[8]。此外，CHOP也可通過死亡受體5和促凋亡相關(guān)基因Bax通路誘導(dǎo)細(xì)胞凋亡[9]。

JNK是MAPK家族成員，持續(xù)發(fā)生的ERS通過UPR啟動(dòng)IRE1α信號通路,進(jìn)而激活JNK,導(dǎo)致數(shù)個(gè)Bcl-2家族成員發(fā)生磷酸化，從而調(diào)控線粒體參與的凋亡途徑[10]。同時(shí)，JNK通過激活Bax改變線粒體外膜的通透性，致使細(xì)胞色素c釋放到胞質(zhì)，進(jìn)而以Caspase依賴的方式誘導(dǎo)細(xì)胞凋亡[11]。另外，JNK還可以通過介導(dǎo)p53發(fā)生磷酸化而誘導(dǎo)細(xì)胞凋亡或上調(diào)Beclin1的表達(dá)，導(dǎo)致細(xì)胞發(fā)生自噬性死亡[12]。

綜上所述，IRE1α不僅可以激活JNK通路及ER常駐蛋白酶Caspase-12通路(通過啟動(dòng)Caspase級聯(lián)反應(yīng)裂解細(xì)胞底物導(dǎo)致細(xì)胞凋亡)[13]，還通過激活其RNA內(nèi)切酶活性裂解ER局部mRNA和非編碼RNA，直接誘導(dǎo)細(xì)胞凋亡[5]。

3 ERS與癲癇

癲癇是神經(jīng)系統(tǒng)常見疾病之一，其特征是由于大腦某些神經(jīng)元突然過度地高頻放電所引起的具有各種臨床表現(xiàn)的反復(fù)發(fā)作，且可在電鏡下觀察到致癇灶處的神經(jīng)元變性和粗面ER擴(kuò)張。而癲癇持續(xù)發(fā)作則會(huì)引起ERS，誘導(dǎo)神經(jīng)元凋亡，造成神經(jīng)損傷[14]。研究表明，CHOP基因的表達(dá)隨著癲癇的持續(xù)發(fā)作而增強(qiáng)[15]，并且造模藥劑注射側(cè)海馬的CHOP蛋白表達(dá)量相較于對照組有明顯增加，表達(dá)CHOP的神經(jīng)元數(shù)量也有所增加[16]。正常人腦中CHOP低表達(dá)，但是在顳葉癲癇患者的非硬化性海馬中CHOP的表達(dá)量較對照組略高，而在硬化性海馬中則無明顯變化，說明在顳葉癲癇患者的海馬內(nèi)，CHOP蛋白或許具有抑制神經(jīng)元凋亡的作用[17]。

與此同時(shí)，越來越多的學(xué)者致力于開拓治療癲癇的新思路。謝南昌等[18]研究表明，線粒體的氧化應(yīng)激水平與ERS密切相關(guān)，通過調(diào)控線粒體Ca2+單向轉(zhuǎn)運(yùn)體或線粒體氧化應(yīng)激水平可影響ERS,進(jìn)而緩解癲癇大鼠海馬神經(jīng)元損傷。NIU等[19]研究結(jié)果顯示，給予SO2生成酶抑制劑HDX處理能夠逆轉(zhuǎn)癲癇大鼠神經(jīng)元中GRP78、p-PERK以及PERK的高表達(dá)，表明內(nèi)源性SO2可能通過PERK信號通路參與調(diào)節(jié)神經(jīng)元的凋亡。FU等[14]研究表明，抗癲癇藥物丙戊酸鈉以及ERS抑制劑Salubrinal均可下調(diào)GRP78和CHOP的表達(dá)并且起到神經(jīng)元保護(hù)的作用，但是與Salubrinal不同，丙戊酸鈉對ERS程度的影響是基于丙戊酸鈉預(yù)處理引起的癲癇活動(dòng)明顯減弱的作用。

綜上所述，癲癇持續(xù)發(fā)作會(huì)引起ERS，長時(shí)間、強(qiáng)烈的ERS會(huì)啟動(dòng)UPR，誘導(dǎo)致癇灶處的神經(jīng)元凋亡，進(jìn)而參與癲癇腦損傷的過程，而以ERS作為靶點(diǎn)進(jìn)行干預(yù)或許可以成為治療癲癇的新思路。

4 ERS與阿爾茨海默病 (Alzheimer’s disease，AD)

AD是老年人群癡呆的最主要原因，其病理學(xué)特征是Tau蛋白異常磷酸化導(dǎo)致的神經(jīng)原纖維纏結(jié)以及淀粉樣蛋白β(amyloid-β，Aβ)沉積導(dǎo)致的老年斑。研究表明，神經(jīng)元在遭受Tau蛋白過度磷酸化或Aβ累積這類生存壓力刺激時(shí)，會(huì)不可避免地觸發(fā)ERS，以便實(shí)現(xiàn)細(xì)胞的穩(wěn)態(tài)，進(jìn)而更好地存活，而ERS則進(jìn)一步促進(jìn)Tau蛋白磷酸化和Aβ的產(chǎn)生[20]。在AD患者和模型動(dòng)物的腦內(nèi)神經(jīng)元中檢測到GRP78、PERK、CHOP等ERS標(biāo)志物的高表達(dá)，而通過藥物抑制ERS可緩解AD大鼠的認(rèn)知障礙以及神經(jīng)元凋亡[21-22]。KIM等[23]研究顯示，急性ERS通過激活GRP78致使PERK活化，進(jìn)而上調(diào)eIF2α、CHOP等下游因子的表達(dá)，引起熱休克因子(heat shock factor 1 , HSF1)的降解和Tau蛋白的磷酸化；AD引起的慢性ERS則會(huì)長時(shí)間激活CHOP，導(dǎo)致HSF1大量降解，持續(xù)的HSF1丟失又反過來促進(jìn)CHOP的激活，引發(fā)長久的CHOP激活和持續(xù)HSF1降解的惡性循環(huán)。

近年來，越來越多的研究集中于探究中腦星形膠質(zhì)細(xì)胞源性神經(jīng)營養(yǎng)因子(mesencephalic astrocyte-derived neurotrophic factor，MANF)在神經(jīng)系統(tǒng)疾病中的作用。有學(xué)者提出，盡管Aβ的累積會(huì)降低細(xì)胞活性，增加GRP78和CHOP的表達(dá)，但是MANF可以通過減弱ERS以緩解Aβ堆積帶來的細(xì)胞損傷。研究發(fā)現(xiàn)，在AD患者的顳下回神經(jīng)元中可檢測到MANF的高表達(dá)，提示AD患者神經(jīng)元ERS可能引起MANF的代償性表達(dá)上調(diào)[24-25]。

綜上所述，AD與ERS這種相互促進(jìn)的作用模式在AD的發(fā)生發(fā)展過程中發(fā)揮了至關(guān)重要的作用，是研究和治療AD這一疾病不可或缺的一環(huán)。另外，已經(jīng)有學(xué)者證實(shí)運(yùn)動(dòng)干預(yù)[21]以及中藥提取物(例如白藜蘆醇[26]、小檗堿[27]、當(dāng)歸多糖[22])可以通過抑制ERS實(shí)現(xiàn)對AD動(dòng)物模型神經(jīng)組織的保護(hù)，為靶向ERS治療AD描繪了巨大前景。

5 ERS與帕金森病(Parkinson’s disease，PD)

PD是最常見的神經(jīng)退行性疾病之一，其病理學(xué)特征為中腦黑質(zhì)致密部多巴胺能神經(jīng)元的死亡以及神經(jīng)元內(nèi)出現(xiàn)由α-突觸核蛋白(α-synuclein，α-syn)聚集形成的路易斯小體。α-syn通過與GRP78、ATF6結(jié)合以及激活PERK-CHOP通路，引發(fā)ERS，造成神經(jīng)元凋亡[28]。通過對PD模型大鼠以及PD患者的研究發(fā)現(xiàn)，PD的顯著特征是患者細(xì)胞內(nèi)PERK的表達(dá)明顯增強(qiáng)，同時(shí)伴有CHOP、Caspase-12基因表達(dá)上調(diào)。MERCADO等[29]研究顯示，給予PD小鼠PERK抑制劑GSK2606414處理可顯著改善其運(yùn)動(dòng)障礙、恢復(fù)其多巴胺能神經(jīng)元的功能、促進(jìn)α-syn正常表達(dá)。同樣，抗氧化劑蝦青素[30]、硫化氫[31]、β-羥丁酸[32]等可以通過抑制ERS有效控制PD的發(fā)生發(fā)展。因此，ERS被認(rèn)為在PD的病理過程中起著重要的作用，已逐漸成為研究PD的重要方向，尤其在中醫(yī)藥方面。例如，中藥厚樸提取物[33]、白藜蘆醇[34]、松果菊苷[35]等均可減少ERS標(biāo)志物的表達(dá)，并且有效改善PD模型大鼠的運(yùn)動(dòng)功能障礙；蓯蓉舒痙顆粒[35-36]可通過抑制ERS顯著緩解PD大鼠黑質(zhì)神經(jīng)元損傷，有望成為臨床治療PD的有效藥物。

迄今為止，尚無能夠有效治療PD的藥物，僅依賴左旋多巴緩解患者癥狀。未來，隨著人們對PD發(fā)病機(jī)制的深入揭示，相信通過中醫(yī)藥靶向干預(yù)ERS將在PD的治療中發(fā)揮關(guān)鍵作用。

6 ERS與其他常見神經(jīng)系統(tǒng)疾病

腦血管疾病是臨床上最為常見的神經(jīng)系統(tǒng)疾病，其主要臨床類型為急性腦血管病，即腦卒中，分為缺血性腦卒中(例如腦梗死)和出血性腦卒中(例如腦出血)。當(dāng)發(fā)生腦梗死時(shí)神經(jīng)元ERS過度激活，表現(xiàn)為大鼠腦梗死組織及死亡神經(jīng)元中GRP78和CHOP的高表達(dá)[37]。ERS的過度激活可能與腦梗死過程中發(fā)生的缺氧以及缺氧/復(fù)氧循環(huán)引發(fā)的無菌性炎癥和氧化應(yīng)激相關(guān)[38]。近年來，中國學(xué)者發(fā)現(xiàn)部分中藥方及相關(guān)藥劑可以通過抑制ERS減緩大鼠神經(jīng)功能損傷并且減少腦梗死面積，例如通絡(luò)方[39-40]、紅花注射液[41]、白楊素[42]等。另外，李航等[37]研究顯示，下調(diào)Orai1基因的表達(dá)可以通過抑制ERS起到對急性腦梗死大鼠神經(jīng)功能保護(hù)的作用。當(dāng)發(fā)生腦出血時(shí)大量釋放的促炎細(xì)胞因子會(huì)引起損傷部位發(fā)生炎癥反應(yīng)，炎癥的出現(xiàn)以及血紅素和鐵的釋放加劇ROS的產(chǎn)生，進(jìn)一步介導(dǎo)神經(jīng)炎癥的發(fā)生，并引發(fā)氧化應(yīng)激最終誘導(dǎo)ERS，甚至造成組織細(xì)胞凋亡[43]。研究表明，中藥方抵當(dāng)湯以及激素褪黑素可以通過抑制ERS相關(guān)通路的激活，對腦出血區(qū)的神經(jīng)元起到一定的保護(hù)作用[44-45]。

此外，神經(jīng)系統(tǒng)脫髓鞘疾病同樣涉及ERS的參與，表現(xiàn)為PERK通路的激活以及CHOP的高表達(dá)[46]。腦腫瘤也是臨床上較為常見的神經(jīng)系統(tǒng)疾病。在腦腫瘤中，由于細(xì)胞處于缺血缺氧、高代謝等應(yīng)激狀態(tài)，ERS隨之啟動(dòng)并參與腫瘤的生長、代謝，甚至腫瘤血管的新生[47]。以上常見神經(jīng)系統(tǒng)疾病大部分為急癥，盡管ERS干預(yù)并不能在治療相應(yīng)癥狀上有很大的幫助，但是其在減緩繼發(fā)性損傷方面擁有巨大潛力。

7 結(jié)語

ERS會(huì)引起蛋白質(zhì)折疊紊亂，激活細(xì)胞凋亡通路，造成相應(yīng)組織或者器官損傷。ERS參與了常見神經(jīng)系統(tǒng)疾病(癲癇、AD、PD等)的病理生理過程，并且是治療上述疾病的重要靶點(diǎn)之一。現(xiàn)在，越來越多的學(xué)者開始關(guān)注ERS在神經(jīng)系統(tǒng)疾病的發(fā)生、發(fā)展以及預(yù)后中的重要作用，并對此展開研究及開發(fā)相關(guān)藥物。同時(shí)，也有學(xué)者提出可以通過中藥、針灸或者ERS干預(yù)等方式對神經(jīng)系統(tǒng)疾病進(jìn)行治療。但是，也有研究指出輕度的ERS可以緩解神經(jīng)元損傷。因此，對于ERS在常見神經(jīng)系統(tǒng)疾病中的作用及相關(guān)機(jī)制還有待進(jìn)一步深入研究，不可以“一刀切”地認(rèn)為抑制ERS就可以治療疾病。